Wärmemanagement Folie statt Kühlkörper

Elektromotoren spielen insbesondere in Automotive-Anwendungen eine entscheidende Rolle. Beim Design von elektronischen Motorsteuerungen gewinnt ein optimales Wärmemanagement zunehmend an Bedeutung....

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CTX Thermal Solutions GmbH

ALPHA-Numerics GmbH

The Bergquist Company GmbH A Henkel Company

Elektronische Motorsteuerungen finden sich in zahlreichen Anwendungen wie Haushaltsgeräten, Industriemaschinen bis hin zu Subsystemen in der Automobilelektronik und in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Neue Ansteuerungen ermöglichen eine fortschrittliche Drehzahl- und Drehmomentregelung, erübrigen die herkömmliche Ein-/Aus-Steuerung, bieten ein sanftes Anfahren, leisen Betrieb und einen höheren Wirkungsgrad. Konfigurierbare Motion-Control-Plattformen reduzieren dabei die Markteinführungszeit und Entwicklungskosten elektronischer Motorsteuerungen, sodass diese selbst für kostensensitive Märkte erschwinglich werden.Thermisches Design ist entscheidendTeil einer elektronischen Motorsteuerung ist meist eine Schaltbrücke mit Leistungs-MOSFETs oder IGBTs, die den Motor ansteuern. Befinden sich die Brückentransistoren im eingeschalteten Zustand, erfolgt durch I2R-Verluste im Drain-Source- (MOSFET) oder Kollektor-Emitter-Widerstand (IGBT) eine Wärmeentwicklung innerhalb der Transistorsperrschicht. Schaltverluste tragen ebenfalls zu dieser intern erzeugten Wärme bei, die abgeführt werden muss, um ein Ansteigen der Sperrschichttemperatur über den vom Hersteller vorgegebenen Maximalwert zu verhindern. Steigt der Arbeitszyklus des Motors, um die Drehzahl oder das Drehmoment zu erhöhen, erhöht sich auch die in den Brückentransistoren erzeugte Wärmemenge.Jede elektronische Motorsteuerung stellt dem Entwickler somit ein Wärmebudget zur Verfügung. Der Temperaturverlauf von der Kühlkörperoberfläche zur Sperrschicht eines Bausteins muss demnach so geregelt werden, dass sich die Sperrschichttemperatur selbst im schlimmsten Fall unterhalb des vom Hersteller spezifizierten Maximalwertes befindet. Deshalb ist ein Wärme leitender Pfad von der Transistoroberfläche zum Kühlkörper erforderlich, der ausreichend Wärmeenergie in den Kühlkörper ableitet. Von dort lässt sich die Wärme effizient abstrahlen oder, falls erforderlich, mit einem Lüfter ableiten. Ineffizienzen innerhalb dieses Pfades müssen dann durch einen größeren und damit weniger optimalen Kühlkörper oder durch einen stärkeren Luftstrom oder beiden Möglichkeiten ausgeglichen werden. Damit entstehen zusätzliche Kosten und die Anforderung an die meisten Elektronikdesigns, wenig Platz einzunehmen, lässt sich nur schwer erfüllen.Für die maximale Größe eines Kühlkörpers liegen vor allem in platzbeschränkten Applikationen wie im Automotive-Bereich physikalische Grenzen vor. Eine Lösung könnte die Wahl des Kühlkörpers aus einem relativ teuren Material wie Kupfer darstellen. Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer ist größer als die von Aluminium. Vor der Wahl einer so hochpreisigen Alternative müssen die Entwickler sicherstellen, dass die Wärmekopplung zwischen MOSFET und Kühlkörper so effizient wie möglich ausfällt. Mithilfe von Wärmeleitmaterial mit ausreichender Wärmeleitfähigkeit lassen sich die Spezifikationen des Fahrzeugherstellers erfüllen ohne teure Kühlkörper einzusetzen. Ein Aluminium-Kühlkörper ist zudem leichter als ein Kupfer-Kühlkörper, die Abmessungen sind ähnlich. Im Automotive-Umfeld stellt dies einen entscheidenden Faktor bei der Auswahl und Dimensionierung des Kühlkörpers dar.Ein effizienterer Wärmepfad zum Kühlkörper lässt sich erzielen, wenn Lufteinschlüsse im Pfad vermieden werden. Eingeschlossene oder stehende Luft weist eine erheblich geringere Wärmeleitfähigkeit auf als die Gehäusewerkstoffe der Transistoren, Aluminium-Kühlkörper oder FR4-Leiterplattensubstrate. Die Wärmeleitfähigkeit von Luft beträgt ca. 0,02 W/m/K, die von Aluminium dagegen 237 W/m/K. Das Auffüllen kritischer Lufteinschlüsse (Air Gaps) mit einem wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Werkstoff ist in Leistungselektronikdesigns wie Motorsteuerungen daher entscheidend. Die Wahl des geeignetsten Air-Gap-Fillers, der eine optimale Kombination aus Wärmeleitfähigkeit, einfacher Anwendung und Kosten bietet, ist somit ein wichtiger Bestandteil des thermischen Designs.Größen- und KostenbeschränkungenEin Beispiel sind elektronische Motorsteuerungen für Kühlerlüfter in Fahrzeugen. Damit lässt sich die Lüfterdrehzahl variieren, was eine flexiblere Motorkühlung sowie ein besseres Management des Fahrzeug-Gesamtstrombedarfs ermöglicht. Der Treiber, der den Motorstrom ein- und ausschaltet, muss Wärmeverluste abführen können, die proportional zur Leistung des Lüftermotors sind. Bei kleinen Fahrzeugen kann diese Leistung 300 bis 500 W betragen, bei größeren Fahrzeugen kann ein Motor mit 800 bis 1000 W erforderlich sein. Motorsteuerungen in der IndustrieDer höhere Antriebsstrom, der von einem größeren Motor gezogen wird, führt zu einer höheren Verlustwärme in den Leistungstransistoren. Ein größerer Kühlkörper oder die Umplatzierung des Controllers an einen Ort, der eine bessere Kühlung bietet, kann durch die Fahrzeugabmessungen oder Designvorgaben ausgeschlossen sein. Neuere Designs erfordern bei leistungsfähigeren Lüftern nun einen effizienteren Wärmepfad vom Transistorgehäuse zum Kühlkörper. Damit sind Gap-Filling-Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit erforderlich. Die Zusammensetzung und technologische Roadmap solcher Gap Filler erfordert eine Abwägung zwischen Wärmeleitfähigkeit und Kosten. Bei Anwendungen mit hohen Stückzahlen, wie z.B. im Automotive-Markt, arbeiten die Entwickler von Subsystemen mit den Anbietern von Wärmeleitmaterialien zusammen, um eine kundenspezifische Lösung zu finden.In Zusammenarbeit mit zwei europäischen Fahrzeugherstellern entwickelten die Ingenieure bei Bergquist ein Gap-Pad-Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,5 W/m/K, das die Anforderungen von Kühlerlüfterdesigns mit variabler Drehzahl in kleinen Fahrzeugen erfüllt. Ein größeres Fahrzeug erforderte ein spezielles Automotive-Gap-Pad-Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 3 W/m/K, um den Wärmetransfer zum Kühlkörper zu verbessern.Steuerungen für elektrisch angetriebene FahrzeugeDie Anzahl elektrischer Kleinmotoren in Fahrzeugen steigt ständig. Sie führen zahlreiche grundlegende und komfortable Funktionen aus, so z.B. als Fensterheber, zum Einstellen der Sitzposition und Spiegel und als Aktuatoren im Motor und Getriebe. Zunehmend werden sie auch in der Lenkung eingesetzt. So stellt Bergquist sein thermisches Substrat T-Clad für TRW Automotive zum Einsatz in elektrischen und elektrohydraulischen Lenksystemen zur Verfügung, die eine Spitzenausgangsleistung von 470 bis 695 W aufweisen. Elektronische Antriebe lassen sich einfacher regeln, bieten einen ruhigeren Betrieb und sind kosteneffizienter. Das Wärmemanagement in den Motorsteuerungsdesigns moderner Fahrzeuge ist daher ein entscheidender Aspekt bei der Entwicklungsarbeit.In der industriellen Steuerungs- und Regelungstechnik sind Antriebe und Steuerungseinheiten meist in Spritzgussgehäusen montiert. Metallsplitter aus Bearbeitungsprozessen können daher jederzeit in der Nähe des Gehäuses auftreffen, das Wärmeleitmaterial durchdringen und einen Kurzschluss zwischen MOSFET-Gehäuse und Kühlkörper verursachen. Durch Glasfasern lässt sich die mechanische Festigkeit universeller Wärmeleitmaterialien verstärken. Trotz dieser widerstandsfähigen und kosteneffizienten Lösung kann ein Durchtrennen der Werkstoffe nicht verhindert werden. Neue filmähnliche Materialien bieten eine hohe Festigkeit gegen Durchtrennen sowie eine hohe mechanische Festigkeit erforderlich sind. Dies trifft auch auf Automotive-Applikationen zu.Bei jeder Motorsteuerung bestimmt der maximale Arbeitszyklus des Motors die Wärmeverluste im ungünstigsten Fall. Transportapplikationen wie elektrische Fahrzeuge weisen durch eine regelmäßige Beschleunigung und das Heben schwerer Lasten hohe Motor-Arbeitszyklen auf (z.B. Gabelstapler).Um diese Worst-Case-Bedingungen zu erfüllen, wurden Motorsteuerungen für elektrische Fahrzeuge schon immer mit sehr großen Bauelementen ausgestattet, so z.B. mit MOSFETs, Kondensatoren und Verteilerschienen mit Anschlüssen für Durchgangsbohrungen, um die erforderliche Wärmekapazität und Temperaturregulierung sicherzustellen. Die Montage dieser großen Bauelemente ist teuer, da sie sich nicht für die Platzierung mit schnellen Bestückungsautomaten eignen.Der Durchsatz fällt damit sehr langsam aus, was die Produktivität verringert und die Gesamtmontagedauer jedes Fahrzeugs erhöht. Ein thermisches Substrat wie Thermal Clad ermöglichte hier den Übergang zur SMD-Technik – selbst bei den Leistungshalbleitern. Durch den höheren Automatisierungsgrad und Durchsatz konnten die Hersteller elektrisch angetriebener Fahrzeuge ihre Fertigungskosten senken, indem sie die Größe der Baugruppen um bis zu 50% reduzierten und auf teure Bauteile wie Kühlkörper verzichteten bzw. deren Anzahl verringerten. Ein Hersteller von Gabelstaplern änderte das Design seiner Motorsteuerungsplatine von einer sperrigen, manuell gefertigten Einheit mit 66 Through-Hole-MOSFETs, 15 hohen Kondensatoren und neun hohen Verteilerschienen zu einem Design mit 48-SMD-MOSFETs, neun niedrigen Kondensatoren und neun niedrigen Verteilerschienen. Sinkende Kosten und schnelle MarkteinführungNeben der Verringerung der Boardgröße um die Hälfte ließ sich das Gewicht um mehr als 75% reduzieren. Das Gewicht spielt bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eine entscheidende Rolle, da es einen direkten Einfluss auf die erforderliche Motorleistung, die notwendigen Arbeitszyklen und somit auf die Nennwerte der Leistungsbauteile wie Treiber-MOSFETs hat. Eine Verringerung dieser Parameter spart nicht nur Kosten, sondern erhöht auch die Batterielebensdauer und Ladeintervalle.Die steigende Nachfrage nach Motorapplikationen, deren Drehzahl veränderbar ist, macht das thermische Design für Leistungstransistorbrücken – zur Begrenzung der Innentemperatur einzelner Transistoren – zu einem wichtigen Bestandteil bei der Entwicklung im Motorsteuerungsdesign. Lufteinschlüsse müssen zwischen Leistungselektronikbauteilen und dem Kühlkörper vermieden werden. Dafür steht eine Vielzahl von Materialien zur Verfügung. Eine andere effiziente Technik zur Wärmekopplung von Leistungselektronikbauelementen an einen großen Kühlkörper ist der Austausch des Standard-Leiterplattenmaterials durch ein isoliertes Metallsubstrat. Damit steht nicht nur ein sehr kurzer Wärmeleitpfad zur Verfügung. Auch einzelne Kühlkörper werden überflüssig, die teuer sind, die Gesamtabmessungen des Controllers erhöhen und Zeitaufwand bei der Montage erfordern. Außerdem benötigen SMD-Bauteile weniger Platz ohne dabei Leistungseinbußen hinnehmen zu müssen.

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